Functionalization of biomaterials : bi-functional peptides and polyelectrolyte multilayers

par Ivan Vladislavov Panayotov

Thèse de doctorat en Sciences physiques et physiologiques endodontique

Sous la direction de Jacques Margerit et de Boyan Vladimirov.

Le président du jury était Youssef Haïkel.

Le jury était composé de Jacques Margerit, Boyan Vladimirov, Csilla Gergely.

Les rapporteurs étaient Youssef Haïkel, Guy Ladam.

  • Titre traduit

    Fonctionnalisation de biomatériaux : peptides bi-fonctionnels et films de polyélectrolytes


  • Résumé

    Cette thèse concerne la fonctionnalisation des biomatériaux, le titane et l'alliage de titane Ti6Al4V ainsi que le PEEK (Poly-Éther-Éther-Ketone) pour l'application de ces biomatériaux dans les domaines de l'implantologie dentaire et de la reconstruction maxillo-faciale. Au cours de la première partie de ce travail nous avons synthétisé quatre peptides bi-fonctionnels avec une grande affinité pour la surface implantaire de Ti et de Ti6Al4V et également pour les kératinocytes oraux. La spectroscopie de force de la cellule unique (Single Cell Force Spectroscopy - AFM) a été utilisée pour étudier l'adhésion d'une cellule sur les surfaces fonctionnalisées par les quatre peptides bi-fonctionnels. A l'aide du test colorimétrique de para-nitrophenyl phosphate (pNPP) on a démontré l'adhésion des kératynocytes après 4 heures d'incubation sur les surfaces fonctionnalisées avec les peptides bi-fonctionnels. Les résultats de ces études ont démontré la présence d'un peptide bi-fonctionnel qui augmente l'adhésion cellulaire instantanée et l'adhésion 4h après incubation des kératinocytes oraux sur les métaux. Ce peptide résiste à l'influence de facteurs externes tels que l'adsorption d'albumine et représente une proposition prometteuse pour la fonctionnalisation de l'implant de Ti et de Ti6Al4V. La deuxième partie de notre mémoire de thèse décrit une méthode de dépôt par spray des films des multicouches de PLL/PGA (poly-l-lysine/acide polyglutamique), des protéines et des cellules souches pulpaires. Les outils de spray d'usage unique ont été adaptés aux exigences de la bonne pratique de fabrication (GMP - good manufacturing practice). Les premiers tests de prolifération cellulaire ont démontré qu'elle n'a pas été affectée par le spray. L'étude en AFM a démontré que la rugosité et l'épaisseur du film augmentaient exponentiellement avec l'augmentation du nombre des couches déposées. Le traitement physique par UV rayonnement ainsi que le traitement par la déshydratation et la réhydratation des films ont provoqué des changements dans l'épaisseur, l'élasticité et la dureté des films. Le dépôt des protéines sur les MPEs a aussi augmenté l'épaisseur et a influencé la dureté de la surface. Les changements chimiques de la structure des MPEs après le traitement physique et après le dépôt des protéines naturelles ont été étudiés par la spectroscopie Raman. La prolifération cellulaire au 1er, 3e et 8e jours après leur spray sur des films de MPEs et des protéines a été ensuite évaluée. Les MPEs traitées par UV combiné avec déshydratation/réhydratation ainsi que les PEMs couvertes par protéine - CaP ont entrainé une meilleure adhésion et prolifération cellulaires que les MPEs non-traitées. Finalement la méthode de dépôt par spray des MPEs, protéines et aussi des cellules souches pulpaires a été appliquée sur la surface de PEEK. La meilleure prolifération cellulaire au 8e jour après le spray était sur la surface couverte par le film de (PLL-PGA)5-protéine/CaP. Une étude in vitro sur le degré de minéralisation au 21e jour après l'incubation des cellules pulpaire dans un milieu ostéconductuer sur des différentes (MPEs couvertes-PEEK) surfaces a été effectuée. Les résultats de la microscopie électronique à balayage (MEB), microscopie électronique à transmission (MET), combiné avec des études histologiques ont confirmé la formation d'une matrice extracellulaire minéralisée des autour des cellules pulpaires sur la surface de PEEK. Conclusions: Dans ce travail nous avons décrit une nouvelle approche de fonctionnalisation des surfaces de Ti and Ti6Al4V par des peptides bi-fonctionnels en proposant une séquence prometteuse qui augmente l'adhésion des kératinocytes oraux. Ensuite nous avons développé une méthode de fonctionnalisation de la surface de PEEK par des multicouches de polyeléctrolytes, des protéines naturelles et des cellules souches de la pulpe dentaire. La différentiation ostéoblastique in vitro a été finalement évaluée.


  • Résumé

    The objective of this thesis was to develop new techniques of surface functionalization of titanium; titanium alloy (Ti6Al4V) and PEEK (poly-ether-ether ketone) surfaces for their application on dental implantology and maxillofacial surgery. During the first part of the thesis we have synthesized four metal binding-cell specific peptides (MCSPs) with high affinity to titanium surface and to oral keratinocytes cells. Single Cell Force Spectroscopy (AFM) was used to study the instantaneous cell adhesion force of keratinicyte cell on MCSPs functionalized surfaces. The colorimetric para-nitrophenyl phosphate (pNPP) essay demonstrates the surface cell adhesion four hours after incubation. The results demonstrate the presence of one bi-functional peptide (MCSP-2) who increases both: the instantaneous and the 4 h cell adhesions. MCSP-2 resist to the influence of external factors like BSA adsorption and could be an interesting candidate for implant surface functionalisation. In the second part of the thesis we have developed a spray deposition method of polyelectrolyte multilayer (PEM) films build. PLL/PGA (poly-l-lysine/poly-glutamic acid) and proteins were used for surface coating. Consequently dental pulp stem cells (DPSC) are sprayed on the PEM films. The aims were to improve a spray -method for cells and the polyelectrolytes deposition on the PEEK implant. The entire spray device was designed for single use, which correspond to good manufacturing practice (GMP) conditions. Cell proliferation in 24 hours after spraying was not disturbed by the spray. Physicochemical properties of PEMs deposited by spray on glass surfaces were performed by Atomic Force Microscopy (AFM) and by contact angle measurements. The results have demonstrated the changes in films thickness and films roughness with increasing numbers of layers corresponding to exponential growth of the films. Physical treatment by UV irradiation and drying-wetting process affects the film thickness and the film elasticity and increases the stiffness of the film. The deposition of protein-CaP and collagen coatings on PEM films increased the layer thickness and influenced the hardness of the surface. Chemical changes in the polyelectrolyte structure during the physical treatment and after proteins deposition were studied by Raman spectroscopy. Cell proliferation of the pulp cells at 1st, 3th and 8th days after pulp cells deposition on PEMs coated glass surfaces, was then evaluated. The results demonstrated that 10 UV/ dray/wetted films and the natural proteins coated films enhanced cell adhesion and cell proliferation. The protein-CaP PEMs covered surface creates the best microenvironment to ensure the cell behavior. Finally PEM films coatings are applied on PEEK implant surface. The AFM study shows the changes of homogeneity and roughness of this surface after PEM film deposition. Contact angle measurement demonstrates decreases of surface hydrophobicity. Cell proliferation of dental pulp stem cells (DPSC) on (PLL-PGA)5-protein/CaP coated PEEK surface was highest compared to other functionalized surfaces. In vitro study of DPSCs osteogenic differentiation was evaluated by the degree of mineralization of the extracellular matrix on the PEEK surface at 21st day after cell incubation. Scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) combined with histological studies improved the formation of mineralized extracellular matrix and confirmed the osteogenic differentiation of DPSCs on the PEMs coated PEEK surface. Conclusions: In this work we validated the method of Ti and Ti6Al4V functionalization with bi-functional peptides. One peptide that could increase the epithelial cell adhesion to the surface was proposed. Spray deposition technics of PEMs, protein and pulp stem cells were applied for PEEK implant functionalization. Finally we evaluated the differentiation of dental pulp stem cells on the PEEK surface in vitro.

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